PEMBUATAN ASAM SULFAT

Asam sulfat adalah bahan kimia yang diproduksi dalam jumlah besar di dunia. Manfaatnya berkisar mulai dari pengolahan logam sampai produksi obat-obatan dan manufaktur pupuk. Bagaimana asam kuat yang sangat reaktif ini menjadi begitu penting dalam kimia dan dalam industri modern?

Pada kenyataannya peranannya dimulai antara tahun 1750 dan tahun 1900. Pada tahun 1750 asam sulfat diproduksi dan digunakan dalam skala kecil dalam pengujian dan pengolahan logam dan digunakan oleh beberapa dokter untuk pengobatan sekalipun tidak ada dasar ilmiahnya.

Penggunaan-penggunaan baru asam ini merangsang pencarian cara-cara baru untuk memproduksinya, dengan menurunnya harga, penggunaan-penggunaan yang lebih lanjut ditemukan dan dieksploitasi. Dari tahun 1750 sampai 1900, harga asam sulfat menurun secara tunak, dan jumlah yang diproduksi tumbuh dengan sangat pesat. Rangsangan mutual antara penggunaan baru dan proses baru ini merupakan pertanda industri kimia, bahkan sampai sekarang, dan kisah tentang asam sulfat adalah contoh yang baik untuk menggambarkannya.

Asam sulfat mungkin pertama kali dihasilkan oleh alkimiawan yang memanaskan vitriol hijau kristali, atau besi (II) sulfat heptahidrat, dalam sebuah tabung kimia:

FeSO4.7H2O(s) → H2SO4(l) + FeO(s) + 6H2O(g)

Menjelang abad ke-17, asam ini diproduksi dalam skala komersial yang terbatas dari bijih besi pirit. FeS2 dalam bijih dikonversi menjadi FeSO4, kemudian dioksidasi menjadi padatan besi (III) sulfat, Fe2(SO4)3. Padatan ini dihancurkan dan dengan kuat dipanaskan dalam bejana tanah liat yang kecil, suatu pengolahan yang mengurainya menjadi besi (III) oksida dan sulfur trioksida:

Fe2(SO4)3(s) → Fe2O3(s) + 3SO3(g)

Gas yang diproduksi kemudian diabsorpsi dalam air untuk membuat asam sulfat:

SO3(g) + H2O(l) → H2SO4(l)

Produksi asam sulfat dirangsang oleh penemuan pada tahun 1744 ketika zat pewarna nila yang berharga, yang digunakan bertahun-tahun untuk mewarnai kapas, ternyata dapat juga digunakan untuk mewarnai wol setelah wol direndam dengan asam sulfat pekat.

 

PEMBUATAN ASAM SULFAT DENGAN PROSES BILIK TIMBAL

Gambar. Proses bilik timbal, salah satu cara pembuatan asam sulfat
Gambar. Proses bilik timbal

Proses bilik timbal yang dikembangkan pada pertengahan kedua abad ke-18, mungkin juga berasal dari laboratorium para alkimiawan, yang membakar sulfur dalam bejana tanah liat. Sejumlah kecil SO3 yang dihasilkan (bersama SO2 yang menjadi produk utamanya) diembunkan dan dimasukkan ke dalam air untuk membuat asam sulfat. Suatu penemuan yang tak sengaja mengungkapkan bahwa penambahan natrium nitrat atau kalium nitrat meningkatkan rendemen SO3. Garam-garam ini terurai untuk menghasilkan nitrogen dioksida, yang bereaksi dengan SO2 dan menghasilkan SO3:

SO2(g) + NO2(g) → SO3(g) + NO(g)

Pada tahun 1736, Joshua Ward mengambil langkah penting berikutnya dengan mengganti bejana tanah liat tempat sulfur dibakar dengan botol kaca besar yang disusun berseri, untuk mempercepat proses.

Pengembangan bilik-timbal (lead chamber) berukuran kamar, yang digunakan pertama kali oleh John Roebuck pada tahun 1746, secara dramatis memperluas manufaktur asam sulfat. Produk dari bejana tanah liat yang kuno itu hanya menghasilkan beberapa kilogram. Sebaliknya, bilik-timbal dapat memproduksi asam sulfat dalam jumlah ratusan pound hingga berton-ton, menurunkan harga produksi karena skalanya yang besar serta menurunkan biaya tenaga kerja. Dalam proses bilik timbal, campuran sulfur dan kalium nitrat diletakkan dalam cedok (ladle) dan dibakar di dalam bilik besar yang dilapisi timbal, lantainya digenangi dengan air. Gas mengembun pada dinding dan diabsorpsi oleh air. Sesudah proses ini diulang beberapa kali, asam sulfat encer diambil dan dididihkan untuk memekatkannya lebih lanjut. Pengembangan terakhir meliputi penghembusan uap air untuk mempercepat reaksi dengan air dan menyebarkan gas serta memisahkan bilik pembakar dari bilik absorpsi.

Joseph Gay-Lussac mengambil langkah maju yang nyata pada tahun 1835 ketika ia membangun menara untuk mengambil kembali NO yang sebelumnya telah dihembuskan ke luar dan mengkonversinya kembali menjadi NO2 melalui reaksi dengan oksigen. Tepatnya, dalam menara Gay-Lussac, NO dikonversi menjadi asam nitrit (HNO2) yang dilarutkan dalam asam sulfat berair:

2NO(g) + ½ O2(g) + H2O(l) → 2HNO2(aq)

Asam nitrit kemudian direaksikan dalam menara kedua (yang diberi nama sesuai dengan pengembangnya, John Glover untuk mengoksidasi sulfur dioksida:

2HNO2(aq) + SO2(g) → H2SO4(aq) + 2NO(g)

Reaksi keseluruhan reaksi-reaksi ini ternyata:

SO2(g) + 1/2O2(g) +H2O(l) → H2SO4(aq)

Pendaurulangan oksida nitrogen sangat mengurangi konsumsi natrium nitrat atau kalium nitrat, yang sekarang hanya diperlukan untuk menggantikan kehilangan dalam proses. Disamping itu, menara Glover memproduksi asam sulfat yang lebih pekat (75 sampai 85% H2SO4 berdasar massa dibandingkan 60 sampai 70% yang diperoleh dengan metode terdahulu.

 

PEMBUATAN ASAM SULFAT DENGAN PROSES KONTAK

Gambar. Proses kontak, salah satu cara pembuatan asam sulfat
Gambar. Proses kontak

Sudah sejak tahun 1831, seorang pria berkebangsaan Inggris Peregrine Phillips mengamati bahwa platinum dapat mengkatalisis proses konversi SO2 menjadi SO3, langkah yang sangat penting dalam produksi asam sulfat. Temuan ini belum banyak mendapat perhatian sampai tahun 1870-an, ketika pertumbuhan industri zat warna di Jerman mendorong pencarian suatu metode untuk memproduksi asam sulfat yang lebih pekat daripada yang dibuat dengan menara Glover. Katalis platinum ditemukan kembali dan dipatenkan tetapi pada awalnya manfaatnya hanya terbatas, sebab katalis ini diracuni dan karena adanya zat asing dalam umpan sufur dioksida. Akibatnya, aplikasi awal metode ini, mesipun agak mengandung pertentangan, asam sulfat dari menara Glover sebagai bahan baku. Asam sulfat diuraikan dengan pemanasan,

H2SO4(aq) → SO2(g) H2O(l) + ½ O2(g)

dan SO2 yang relatif murni dikonversi menjadi SO3 dengan katalis dan kemudian kembali menjadi H2SO4. Dengan cara ini, asam yang sangat pekat diperoleh namun dengan biaya tinggi. Setelah 30 tahun kemudian, para peneliti mengenali peran arsenik dan zat asing lain yang meracuni katalis dan mengambil langkah untuk menyingkirkan zat asing ini dari umpan SO2, yang mengakibatkan dapat diproduksinya asam sulfat pekat secara langsung tanpa melewati langkah bilik-timbal lebih dulu. Katalis ini juga dikaji, yang akhirnya terpilih adalah oksida dari vanadium (V2O5) yang merupakan katalis utama yang digunakan sekarang ini.

Produksi katalitik asam sulfat dari SO2 disebut proses kontak (contact process). Dalam reaksi SO2 dengan oksigen,

SO2(g) + 1/2O2(g) → SO3(g)

Jumlah mol gas menurun. Ini menunjukan agar reaksi dijalankan pada tekanan total yang tinggi untuk meningkatkan rendemen produk. Namun demikian, sedikit keuntungan yang diperoleh dengan menggunakan tekanan dalam reaksi ini tidak menutup biaya tinggi yang dikeluarkan untuk peralatan. Dengan demikian, reaksi ini dilakukan pada tekanan atmosfer.

Karena reaksi ini eksotermik, semakin rendah suhu, semakin tinggi tetapan kesetimbangan, dan semakin tinggi tingkat konversi menjadi produk pada kesetimbangan. Suhu harus dipertahankan jauh dibawah titik 780oC untuk mencapai rendemen produk yang signifikan.

Masalahnya adalah bahwa pada suhu rendah reaksi menjadi lambat, meskipun katalis dapat membantu mempercepatnya. Umumnya diperlukan suatu proses dengan dua sampai empat tahap. SO2(g) yang masuk mencapai katalis pertama pada suhu 420oC. Begitu reaksi dimulai, kalor dilepaskan dan suhu campuran gas yang bereaksi meningkat. Sesudah beberapa detik, campuran telah mencapai kesetimbangan pada suhu sekitar 600oC dengan konversi 60 sampai 70% SO2. Gas kemudian didinginkan kembali ke suhu 420oC dan dibiarkan bereaksi satu atau dua kali lagi dengan katalis, dengan menggunakan suhu yang lebih rendah dan periode pemaparan yang lebih lama. Hasilnya ialah konversi sekitar 97% dari SO2 menjadi SO3. Untuk konversi yang lebih besar lagi, gas kemudian dilewatkan ke dalam menara tempat SO3 larut dalam asam sulfat. Proses ini membuang produk reaksi, sehingga sekali lagi reaksi bergeser ke kanan bila SO2 yang tidak beraksi dilewatkan pada katalis untuk terakhir kali. SO3 dari tahap terakhir ini kemudian diabsorpsi, memberikan hasil keseluruhan sekitar 99,7% dari SO2 yang semula diberikan. Pertimbangan yang cermat mengenai termodinamika dan kinetika telah membuat proses yang sangat efisien. Hampir semua asam sulfat saat ini dibuat menggunakan proses kontak.

Jika SO3 diabsorpsi ke dalam air dan bukan ke dalam asam sulfat, produknya akan lebih encer dan sedikit SO3 yang diabsorpsi. Selain itu, reaksi langsung SO3 dengan air menghasilkan kabut asam yang halus yang sukar mengembun. Absorpsi SO3 ke dalam asam sulfat menghasilkan asam sulfat berasap, atau oleum, yang dapat langsung digunakan atau diencerkan dengan air dengan air sesuai dengan konsentrasi yang diinginkan. Jumlah ekuimolar SO3 yang dilarutkan dalam H2SO4 menghasilkan asam disulfat (H2S2O7).

Jumlah SO2 yang dibebaskan oleh proses kontak untuk mencemari udara sangat kecil, tetapi penyingkiran lanjutan SO2 dari gas lombong (tail gas) dapat dilakukan (dengan biaya tambahan) pada langkah lain. Sebagian H2SO4, yang tentu saja tersedia melimpah, dioksidasi secara elektrolitik menjadi asam peroksidisulfat (H2S2O8):

2H2SO4(aq) + 2H2O(l) → H2S2O8(aq) + 2H3O+(aq) + 2e (anode)

2H3O+(aq) + 2e → H2(g) + 2H2O(l) (katode)

H2S2O8 dengan cepat bereaksi:

H2O(l) + H2S2O8(aq) → H2SO4(aq) + H2SO5(aq)

H2SO5 dinamakan asam peroksimonosulfat. Gas yang keluar dilewatkan melalui skruber agar bercampur dengan larutan zat pengoksidasi kuat ini. Dalam Skruber, reaksi

SO2(g) + H2SO5(aq) + H2O(l) → 2H2SO4(aq)

mengkonversi SO2(g) menjadi asam sulfat. Lebih dari 90% dari jumlah SO2(g) yang sudah sedikit ini dapat dsingkirkan dengan cara ini. Produknya, yaitu asam sulfat encer, didaur kembali ke proses utama.

 

 

 

Add a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *